董振斌，孫　晶，袁　飛

（1.國家電網(wǎng)公司 電力需求側(cè)管理指導(dǎo)中心，南京　210024；2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京　210096）

◆環(huán)球攬革◆

隔熱與阻熱技術(shù)在日本節(jié)能中的發(fā)展與應(yīng)用

董振斌1，孫晶1，袁飛2

（1.國家電網(wǎng)公司 電力需求側(cè)管理指導(dǎo)中心，南京210024；2.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南京210096）

據(jù)2012年日本能源白皮書記載，自石油危機(jī)以來，日本的能源消費(fèi)以民生部門（家庭用電與辦公用電）及運(yùn)輸部門為中心呈上升趨勢，而這期間產(chǎn)業(yè)部門能源消費(fèi)卻每年基本持平，形成了顯著反差對比。究其原因，相比于民生部門以追求生活便利性為主要方式，產(chǎn)業(yè)部門對于節(jié)約用電的意識明顯增強(qiáng)「1」。分析家庭中能源消費(fèi)的組成分類可見，空調(diào)、熱水方面的熱能需求量約占總需求量的60%，因此，結(jié)合全國節(jié)電要求，節(jié)省能源、減少能耗，將成為主要消費(fèi)理念。

在民生領(lǐng)域內(nèi)能源消費(fèi)量大幅增長的背景下，日本近年倡導(dǎo)了Zero emissions building（ZEB，真正零能耗、零排放大樓）、Zero emissions house（ZEH，真正零能耗、零排放住宅）以及節(jié)能時尚住宅的新理念「2」。最重要的就是最大限度地利用太陽能等可再生能源，同時提高建筑物的隔熱性能，采用IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源管理，以最小的能耗保持室內(nèi)的舒適溫度。這就是與之相關(guān)的現(xiàn)代隔熱與阻熱技術(shù)。

1　隔熱與阻熱的重要性

一般來說，只要有溫差，自然界的溫度就向熵值增大的方向發(fā)展，所以如果需要有效地利用熱能，就必須消除熱利用過程中不必要的熱傳遞，保持其溫差。隔熱與阻熱就是其中一種技術(shù)手段，也就是俗稱的保溫。

1.1能耗現(xiàn)狀

根據(jù)日本資源能廳能源供應(yīng)速報（2013年11月16日）統(tǒng)計，2012年產(chǎn)業(yè)部門（制造業(yè)）的能源消費(fèi)量為5.814×1015J，占全日本能耗總量的40%。折算原油約1.5×1011L/年，二氧化碳的排放量約3.93×108t/年「3」。

1.2節(jié)能效果估算

根據(jù)日本節(jié)能法的能源管理所推定，目前有14 363個作業(yè)點(diǎn)需要能耗整改。假設(shè)這其中有5%，即718個作業(yè)點(diǎn)采用隔熱與阻熱措施，并達(dá)到10%的節(jié)能成效，那么產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)一年的能耗與二氧化碳的排放量將可作如下估算。

能耗的減少量（換算成原油）為150×109L/年×0.05×0.1=7.5×108L/年；二氧化碳的排放減少量為3.93×108t/年×0.05×0.1=1.96×106t/年。

2　隔熱與阻熱的基本概念

包括隔熱、阻熱在內(nèi)的熱傳導(dǎo)形式可分為兩大類：“傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)”與“輻射熱傳導(dǎo)”。二者差別在于熱傳導(dǎo)的過程是否需要介質(zhì)。

一般情況下，為防止傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)（分子運(yùn)動而產(chǎn)生的熱，需要介質(zhì)）稱為隔熱，為防止輻射熱傳導(dǎo)（電磁波能源，不需要介質(zhì)）稱為阻熱，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也這樣定義「4」。

2.1隔熱的基本概念

“傳導(dǎo)熱”傳導(dǎo)時熱的傳導(dǎo)量是與其傳遞點(diǎn)位置溫度曲線呈比例關(guān)系，所以可用公式（1）傅里葉定律表達(dá)。

式中：輻射熱通量q為單位面積與單位時間上的熱傳遞量（熱流束），W/m2；比例系數(shù)λ是物體的傳熱特性，稱為熱導(dǎo)率，W/（m·K）。如果不考慮應(yīng)用的溫度區(qū)域，該值的變化區(qū)間為多層真空隔熱的10-5～103W/（m·K）之間。

相對固體材料的熱傳導(dǎo)率來說，金屬材料傳導(dǎo)率高，絕緣材料傳導(dǎo)率低，而氣體及木材、紙張、硬質(zhì)氨基甲酸乙酯等多孔性質(zhì)的材料都是低熱導(dǎo)率的材質(zhì)。各主要材料的熱傳導(dǎo)率如表1所示。料），熱導(dǎo)材料中沒有熱超導(dǎo)體與熱絕緣體（完全絕熱）。這從物理學(xué)上也很好理解，如果沒有溫差，也就沒有讓熱流動的勢能，則熱也就沒有熱傳導(dǎo)（沒有超熱傳導(dǎo)）；同樣，如果存在溫差，就必然存在熱的移動（同樣沒有完全的隔熱）。

表1　各主要材料的熱傳導(dǎo)率

2.2阻熱的基本概念

“輻射熱”傳導(dǎo)時熱通量與兩介質(zhì)平面的溫度以及輻射率有關(guān)。假設(shè)一個有無限大且平行的2個平面之間存在輻射的熱通量q，平面1的溫度為T1，輻射率為ε1，平面2的溫度為T2，輻射率為ε2。這時輻射熱通量q如公式（2）。

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，值為5.67×10-8，輻射率取值在0～1之間，以材料特性決定取值（黑體的輻射率等于1）。

需要注意的是，不同的應(yīng)用環(huán)境會對輻射熱通量有很大影響，如：不同溫度、不同表面形狀等。如公式（2）所示，兩輻射率均取1時，輻射的熱通流為最大，相反，如果取值越小，則輻射的熱通流就越小。

另一種情況是在這平行的兩平面中間插入一個輻射率為εf箔片，由于平面1與箔片間的輻射的熱通量與平面2與箔片間的輻射的熱通量是相等的，所以箔的溫度為Tf時，公式（3）、公式（4）成立。

簡化Tf后得公式（5）

與公式（2）比較后可見，公式（5）的分母值更大。所以，不論插入什么樣的箔片，都可減小輻射熱通量。同時從公式（5）可知，所插入的箔片材料輻射系數(shù)越小，或插入箔片數(shù)越多，就越能降低兩平行平面間的輻射熱通量。

由以上分析可知，一般隔熱主要是通過更換熱傳導(dǎo)率更低的材料，而阻熱則通過阻熱涂料降低傳熱表面的輻射系數(shù)或者增加阻熱層阻擋輻射。而實(shí)際應(yīng)用中，通常將隔熱與阻熱相結(jié)合，以此來達(dá)到節(jié)能的效果。

3　隔熱與阻熱技術(shù)的應(yīng)用

3.1項(xiàng)目實(shí)施流程

一般可以取得較大節(jié)能效果的項(xiàng)目，需要有如圖1所示的工作流程。

（1）現(xiàn)有設(shè)備、裝置熱損失診斷

圖1　隔熱與阻熱項(xiàng)目實(shí)施流程

通過熱敏圖像等儀表對現(xiàn)有設(shè)備與裝置的表面溫度、散熱量等進(jìn)行檢測，根據(jù)取得的該設(shè)備的熱圖像等數(shù)據(jù)，推算出項(xiàng)目實(shí)施對象某位置上的熱損失。

（2）編寫相應(yīng)材料的劣化程度表

根據(jù)取得的熱圖像數(shù)據(jù)，計算出散熱量、熱損失的情況，分別確認(rèn)材料的劣化程度，編寫相應(yīng)表格，方便后續(xù)確定項(xiàng)目實(shí)施范圍與方法。

（3）確定項(xiàng)目實(shí)施的范圍與方法

根據(jù)已編寫完成的材料劣化數(shù)據(jù)表以及實(shí)施的項(xiàng)目圖表（燃料消費(fèi)測算、二氧化碳排放降低成效等測算結(jié)果）向用戶提交方案，由此確定、更新項(xiàng)目的實(shí)施范圍與施工方法。

具體的施工方案如下「5」：

方案1：對原來沒有隔熱阻熱材料防護(hù)的位置增加相應(yīng)的材料。如：安裝簡易可拆卸的保溫罩。在閥門、法蘭盤等部件處制作相應(yīng)的保溫罩。蓋罩邊可用拉鏈或扣子固定，不需要依賴專業(yè)人員就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可脫卸保溫。一般情況也可用耐熱布料縫制，纖維質(zhì)地內(nèi)部充填保溫材料。此方法對保溫工程不易涉及的地方具有非常大的節(jié)能效果。

方案2：不拆除原有材料設(shè)施，在原有基礎(chǔ)上增加相應(yīng)材料的施工，如：增加一個保溫層。這種施工方法可節(jié)省拆除費(fèi)用，同時具有取得更好節(jié)能效果的優(yōu)勢。但這種方法要求原有的保溫材料達(dá)到能夠繼續(xù)使用的標(biāo)準(zhǔn)，增加保溫厚度以后不影響其他設(shè)施且不增加施工難度，所增加的材料具備低熱導(dǎo)性能，同時新增厚度控制在最低限度，才能實(shí)施。

方案3：拆除原有材料設(shè)施，采用隔熱阻熱性能更好的材料重新施工，如：使用低導(dǎo)熱保溫材料。在需要更新改造時更換低熱導(dǎo)、高性能保溫材料，在厚度不變的情況下實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能效果。目前可選擇的產(chǎn)品有：保溫材料內(nèi)部氣隙更細(xì)密的納米級的保溫材料，或者就保溫老產(chǎn)品自身已有材質(zhì)能提高的替代產(chǎn)品等。

（4）增加或更新項(xiàng)目的施工方案

與用戶交換意見，確定施工范圍，進(jìn)行增加或更新改造施工。

（5）確認(rèn)項(xiàng)目實(shí)施后的節(jié)能效果

項(xiàng)目施工完成后，應(yīng)用與施工前同樣的方式進(jìn)行熱診斷與狀態(tài)分析，計算出施工后的節(jié)能效果（包括燃料成本、二氧化碳排放減少量等），最后向廠家提交成果報告書。

3.2隔熱項(xiàng)目施工后的節(jié)能效果

隔熱項(xiàng)目比較有代表性的就是更換熱傳導(dǎo)率更低的新型保溫材料，并優(yōu)化施工工藝，如：日本保溫保冷工業(yè)協(xié)會計劃部介紹的對某項(xiàng)目進(jìn)行隔熱改造「6」。其對現(xiàn)有設(shè)備或機(jī)器、管道上進(jìn)行更新改造施工后，對節(jié)能成效進(jìn)行了估算，估算記錄如表2所示。

表2是采用了新型保溫材料Pyrogel XT（超低熱導(dǎo)材料，防水性與水蒸汽穿透性能優(yōu)良），施工方式為e'-AIM施工法。從表2可以看出，方案的節(jié)能效果顯著。

3.3阻熱項(xiàng)目施工后的節(jié)能效果

阻熱項(xiàng)目一般應(yīng)用于保冷（夏天降溫），比較具有代表性的是通過建筑物噴涂涂料而實(shí)現(xiàn)。如：日本涂料建筑株式會社建筑涂料技術(shù)支持事業(yè)部對東京都內(nèi)一大樓樓頂進(jìn)行了測試，檢測內(nèi)容包括是否使用涂料、夏季降溫效果的比較和涂料2年后的降溫變化情況的比較「7」。

大樓內(nèi)的2處房間均為是35 m2，形狀、大小基本相同，兩者相距100 m的A室與B室，并在相同的位置放置了傳感器。A室噴涂涂料，B室不噴涂。在屋頂硅重力梁的外側(cè)與內(nèi)側(cè)以及頂面天花板面設(shè)置溫度測點(diǎn)進(jìn)行測量。室外氣溫的測量是放置在A室的門口，屋頂水平面的測點(diǎn)則用來測量全天候的熱輻射量。

A室的高折射率涂料的施工標(biāo)準(zhǔn)是在聚氯乙烯樹脂膜表面安裝溫度傳感器，然后分別順序施工雙組液態(tài)環(huán)氧樹脂系列白色涂料（標(biāo)準(zhǔn)膜厚度30 μm），雙組液態(tài)氨基甲酸乙酯樹脂系列高折射率白色涂料（標(biāo)準(zhǔn)膜厚度60 μm）。評價阻熱項(xiàng)目的節(jié)能效果，一般是把涂料噴涂后的試驗(yàn)體置于陽光直射下，測量出試驗(yàn)體表面與背面的溫度，從而了解涂料的降溫性能。為了解涂料的降溫程度，在夏季的8月份進(jìn)行測量，測試時間間隔為5 min，取相應(yīng)的最高氣溫日以及最大溫度差值，具體的測量結(jié)果如表3所示。

對比測試室A、B的溫度可以發(fā)現(xiàn)，噴涂高折射率的阻熱層對建筑物室內(nèi)溫度的降低是有效的。同時，室A與室B出現(xiàn)最大溫差的時間點(diǎn)并不同步，并不確定在同一時刻點(diǎn)上出現(xiàn)。通過與噴涂1年后、噴涂2年后的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，噴涂材料經(jīng)受住了時間的考驗(yàn)，在一定的時間范圍內(nèi)是有效的。

4　結(jié)束語

本文介紹了隔熱阻熱的重要性、基本概念以及與隔熱阻熱材料相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用。不論是民生部門還是產(chǎn)業(yè)部門、運(yùn)輸部門，熱管理是一項(xiàng)重要技術(shù)。隔熱阻熱技術(shù)可以從另一側(cè)面節(jié)約能源、降低二氧化碳的排放，簡單來說，節(jié)能就是要降低熱能的損失，也就是加強(qiáng)隔熱阻熱項(xiàng)目的實(shí)施建設(shè)。作為節(jié)能技術(shù)中的重要技術(shù)，期待隔熱阻熱技術(shù)的不斷進(jìn)步。D

「1」宗像鐵雄.從節(jié)能角度看隔熱、阻熱的重要性「J」.日本節(jié)能，2013（3）：26-29.

「2」八木俊明，高橋克行.隔熱建材應(yīng)用后降低電費(fèi)的顯著成效「J」.日本節(jié)能，2013（3）：52-54.

「3」黑坂和彌.工廠的熱能損失及其應(yīng)對措施「J」.日本節(jié)能，2013（3）：30-32.

「4」德永義弘，吉田勝彥，山下大輔.建筑物采用阻熱簾方式在夏、冬季的節(jié)能「J」.日本節(jié)能，2013（3）：38-42.

「5」服部幸夫.工業(yè)生產(chǎn)中的保溫與維護(hù)方法「J」.日本節(jié)能，2013（3）：33-37.

「6」崛之內(nèi)淳.應(yīng)用工程強(qiáng)化方式加強(qiáng)節(jié)能效果「J」.日本節(jié)能，2013（3）：43-47.

「7」櫻田將至.建筑物外墻采用高折射率涂料降低室溫的驗(yàn)證「J」.日本節(jié)能，2013（3）：47-51.

（本欄責(zé)任編輯孫晶）

Development and application of thermal insulation and resistance energy-saving technology in Japan

DONG Zhen-bin1，SUN Jing1，YUAN Fei2
（1.State Grid Corporation DSM Instruction Center，Nanjing 210024，China；2.College of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

在節(jié)能減排的背景下，為降低熱能損失，隔熱與阻熱技術(shù)的發(fā)展越發(fā)顯現(xiàn)其重要性。分析日本近年來能耗現(xiàn)狀與發(fā)展隔熱阻熱技術(shù)的必要性，從原理上對隔熱阻熱技術(shù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)介紹隔熱與阻熱技術(shù)在日本節(jié)能領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例。實(shí)例證明，隔熱與阻熱技術(shù)可以很好地節(jié)約能源、降低能耗與二氧化碳的排放，值得推廣應(yīng)用。

隔熱；阻熱；熱管理；節(jié)能

In the context of energy-saving emission reduction and in order to reduce heat loss，thermal insulation and resistance technology development will increasingly show its importance.It analyzes the energy consumption status and the necessity of thermal resistance technology development in recent years in Japan，carries on the analysis of the thermal insulation and resistance technology from the principle，focuses on the application of the technology in the field of energy saving technology in Japan.Examples show that the technology can be a good way to save energy and reduce energy consumption and carbon dioxide emissions.It is worthy of popularization and application.

thermal insulation；thermal resistance；thermal management；energy saving

表3　阻熱項(xiàng)目實(shí)施前后效果對比

F416.61；TK018

E

2015-03-23；

2015-04-09

董振斌（1967），男，江蘇淮陰人，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、高電壓技術(shù)和電力需求側(cè)管理等；孫晶（1977），女，吉林長春人，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動化、電力需求側(cè)管理；袁飛（1991），男，江蘇南通人，碩士，研究方向?yàn)殡娏π枨髠?cè)管理等。